Loughborough-onderzoekers ontwikkelen nieuwe 4D-printtechniek met aceton

De 3D Printing Industry Awards 2021 shortlists kunnen nu tot 20 oktober worden gestemd. Breng hier uw stem uit.

Onderzoekers bij Universiteit van Loughborough hebben een nieuwe hybride 3D-printtechniek ontwikkeld waarmee ze de eigenschappen van geprinte onderdelen in de loop van de tijd kunnen veranderen, waardoor een nieuwe vorm van 4D-printen mogelijk wordt.

Deze aanpak, genaamd Material Treatment Extrusion Additive Manufacturing (MaTrEx-AM), combineert conventioneel 3D-printen op basis van extrusie met een chemische behandeling. Het maakt met name gebruik van de organische chemische aceton om gerichte lagen in een 3D-geprint object duurzamer te maken. Afhankelijk van hoe de aceton wordt verdeeld en hoeveel ervan tussen de lagen wordt aangebracht, maakt de techniek het mogelijk om onderdelen met aanpasbare mechanische eigenschappen in 3D te printen, zodat gebruikers kunnen bepalen hoe ze onder belasting vervormen.

Dr. Andy Gleadall, hoofddocent additieve fabricage en co-auteur van de studie, zei: “De nieuwe mogelijkheden zijn potentieel waardevol voor een enorm scala aan onderdelen en constructies, maar misschien zijn de meest voor de hand liggende onderdelen die tijdens bedrijf vervormen, en de manier waarop ze vervormen moet worden gecontroleerd. De tijdsafhankelijke aard van mechanische eigenschappen betekent dat de aanpak een nieuwe dimensie toevoegt aan de materiaalmogelijkheden, met in-situ hybride verwerking die een echt 4D-printproces mogelijk maakt.”

campus van de Loughborough-universiteit. Foto via Loughborough University.

Aceton en 3D-printen

Aceton is een veelgebruikt oplosmiddel dat in alles wordt gebruikt, van producten voor het verwijderen van nagellak tot benzine- en vetsnijders. In de 3D-printindustrie heeft de verbinding zijn nut als oppervlakteafwerkingsmiddel, omdat het polymeren zoals ABS kan oplossen, waardoor gebruikers laaglijnen kunnen gladstrijken om ze onzichtbaar te maken. Het MaTrEx-AM-proces gaat nog een stap verder met het aanbrengen van aceton in-situ tussen lagen in plaats van op de buitenkant van geprinte onderdelen.

Maar hoe verandert aceton de mechanische eigenschappen van deze geprinte lagen? Het antwoord ligt in hoe filament wordt geëxtrudeerd door conventionele FDM 3D-printers. Omdat FDM-systemen gesmolten filament afzetten uit een cirkelvormig mondstuk, hebben de geproduceerde sporen een cilindrische vorm. Hierdoor is het contactoppervlak tussen de sporen relatief klein, waardoor onvoldoende laaghechting en uiteindelijk zwakkere delen ontstaan.

Gleadall legt uit: “Het proces voegt laag voor laag materiaal toe – er zijn groeven tussen de lagen, een beetje zoals je zou zien als je veel houtblokken zijwaarts op elkaar zou stapelen, allemaal in een rij. 3D-geprinte onderdelen zijn vaak zwak vanwege de manier waarop lagen in volgorde worden gelegd, dus er zijn geometrische defecten tussen de lagen en de hechting van materiaal tussen lagen is mogelijk niet zo goed als het pure polymeer.

Door aceton op deze cilindrische sporen aan te brengen, is het mogelijk om ze samen te smelten voor een betere fusie. Dit vergroot het contactoppervlak en de sterkte van de bindingen, wat leidt tot beheersbare mechanische eigenschappen (en programmeerbare vervormingsprofielen) via selectieve toepassing van aceton.

Aceton gladmaken van een 3D-geprint onderdeel gemaakt van ASA.  Foto via Prusa.
Aceton gladmaken van een 3D-geprint onderdeel gemaakt van ASA. Foto via Prusa.

Helmvulling en biomedische implantaten

Het team van Gleadall ontdekte dat ze de plasticiteit van PLA- en ABS-onderdelen tot 25- en 16-voudig konden verhogen door aceton toe te passen, waardoor de taaiheid van de behandelde gebieden werd vergroot. Op de lange termijn herstelden de mechanische eigenschappen van deze onderdelen zich echter tot hun oorspronkelijke waarden tot 90%, en dat is waar de 4D van pas komt. Dit herstel gebeurde binnen drie uur voor ABS, terwijl PLA-monsters tot 60 dagen nodig hadden om herstellen. Belangrijk is dat zelfs nadat de gedrukte delen hun eigenschappen hadden hersteld, alle geometrische veranderingen die in die tijd waren aangebracht, behouden bleven.

Volgens het Loughborough-team omvatten de echte toepassingen van MaTrEx-AM 4D-roosterstructuren voor schokbestendige helmvulling, evenals dynamische biomedische implantaten die samen met de anatomie van de patiënt vervormen.

Verdere details van het onderzoek zijn te vinden in de paper met de titel: MaTrEx AM: een nieuw hybride additief productieproces om mechanische eigenschappen selectief te beheersen.

MaTrEx-AM en het effect ervan op 3D-geprinte polymeeronderdelen.  Afbeelding via Loughborough University.
MaTrEx-AM en het effect ervan op 3D-geprinte polymeeronderdelen. Afbeelding via Loughborough University.

In de academische wereld heeft 4D-printen zichzelf bewezen als een geweldig hulpmiddel voor toepassingen zoals medische apparaten en zachte robots. Onderzoekers uit de Universiteit van Freiburg en de Universiteit van Stuttgart heeft onlangs een nieuwe methode ontwikkeld voor het 4D-printen van een draagbare polsspalk die zichzelf aanpast aan de anatomie van de patiënt. Geïnspireerd door het voortplantingsmechanisme van de luchtaardappelplant (Dioscorea bulbifera), kan het geprinte systeem worden voorgeprogrammeerd om complexe bewegingen uit te voeren bij blootstelling aan vocht.

Elders, bij Universiteit van Tianjin, China, hebben wetenschappers onlangs een 4D-print van een zelfrijdende zachte robot die in staat is om zelfstandig rond te zwerven. De buisvormige robot is gemaakt van een materiaal dat vloeibaar-kristalelastomeer wordt genoemd en dat zichzelf assembleert wanneer het in contact komt met warmte. Het apparaat maakt gebruik van slim geprogrammeerde vouwpatronen om spanning in zijn eigen lichaam te veroorzaken, waardoor het als een blok kan omrollen.

Abonneer je op de Nieuwsbrief 3D Printing Industry voor het laatste nieuws over additive manufacturing. Je kunt ook op de hoogte blijven door ons te volgen op Twitter, ons leuk vinden op Facebooken afstemmen op de YouTube-kanaal voor de 3D-drukindustrie.

Op zoek naar een carrière in additive manufacturing? Op bezoek komen 3D-afdruktaken voor een selectie van rollen in de industrie.

Uitgelichte afbeelding toont de campus van de Loughborough University. Foto via Loughborough University.

creditSource link

We zullen blij zijn om uw mening te zien

Leave a reply

Blazedesk
Logo
Compare items
  • Total (0)
Compare
0
Shopping cart